HIV衣殼蛋白有望成為 HIV 治療新靶標

HIV感染細胞時,病毒將其單鏈 RNA 基因組逆轉錄成雙鏈 DNA,穿越細胞質並穿過核膜,然後整合到宿主染色體中。

目前,針對 HIV 的致病機制,已獲批准上市的抗 AIDS 藥物共分為六大類:非核苷類逆轉錄酶抑製劑 (NNRTIs)、核苷類逆轉錄酶抑製劑 (NRTIs)、整合酶抑製劑 (INSTIs)、蛋白酶抑製劑 (PIs)、病毒成熟抑製劑 (MIs) 和輔助受體 CCR5 抑製劑。目前還沒有獲批上市的 HIV-1 衣殼蛋白抑製劑。

常見的 HIV 感染治療方案是將兩種 NRTI 與 PI、NNRTI 或 INSTI 結合的聯合抗逆轉錄病毒療法 (cART)。這種療法非常有效,可以延長預期壽命和減緩艾滋病的傳播。然而,cART 並不能治愈患者,且存在一些風險,例如停止治療導致的病毒載量迅速反彈,病毒耐藥性的出現,以及長期治療的副作用影響預期壽命。因此,仍然需要研發具有優良特性的新藥和探索新的靶點。

近日,Nature 上關於 HIV 的最新研究“Clinical Targeting of HIV Capsid Protein With a Long-Acting Small Molecule”引起了廣泛的關注,該研究證明了 HIV 衣殼蛋白長效抑製劑 GS-6207 具有治療或預防 HIV 感染的潛力。

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圖 2. 靶向 HIV 衣殼蛋白的長效小分子相關研究

衣殼蛋白的結構及作用

HIV 感染細胞時,病毒將其單鏈 RNA 基因組逆轉錄成雙鏈 DNA,穿越細胞質並穿過核膜,然後整合到宿主染色體中。

‍下面我們以 HIV-1 為例,對 HIV 的衣殼蛋白及其作用進行介紹。

在成熟、具有感染能力的 HIV-1 中,病毒基因組位於一個由病毒衣殼蛋白 (Capsid protein, CA) 組成的圓錐形衣殼核心 (Capsid core) 內。衣殼核心由約 250 個 CA 六聚體和 12 個五聚體組裝而成。CA 亞基又由兩個結構域組成,即 N-端結構域 (NTD) 和 C-端結構域 (CTD)。在每個六聚體中,每個 CA 子單元都通過 NTD-NTD 介面和 NTD-CTD 介面相互連接 (圖 3)。

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圖 3. HIV-1 衣殼蛋白的結構[7]

a.  Envelope, ENV:蛋白包膜 (ENV 糖蛋白複合物包含了 gp120 亞基和 gp41 亞基);Matrix,MA :Gag 多肽衍生蛋白基質;CA:衣殼蛋白;Nucleocapsid,NC:核衣殼/核衣殼蛋白。b. CA 六聚體 (橙色) 和五聚體 (黃綠色)。c. 形成 HIV-1 主要衣殼核心的六聚體亞基的頂視圖和側視圖。d. CA NTD (藍色) 和 CA CTD (紅色)。

我們對 HIV-1 病毒進入細胞後直至其基因組整合到宿主染色體中的過程,即 HIV-1 感染的早期步驟還了解甚少。已有研究表明,CA/衣殼在早期事件中起關鍵作用。例如衣殼不僅充當保護屏障使病毒基因組免於被識別和降解,而且還能促進逆轉錄,與核孔複合體接觸,並直接整合位點靶向。這些過程中,衣殼還必須與宿主蛋白和一些代謝産物相互作用,並在適當的位置和時間分解以釋放病毒基因組,發生“脫殼”(Uncoating)。

在 HIV-1 形態發生過程中,CA 參與兩個不同的裝配事件。細胞中,在形成未成熟、非感染性病毒的過程中,涉及球形衣殼的自組裝,該衣殼包含多達 5000 個 Gag 多蛋白分子,其中 CA 構成是 Gag 的一部分;在病毒成熟期間,Gag 經過蛋白酶水解處理,未成熟的衣殼解體,大約 1000-1500 個釋放的 CA 分子自締合,形成成熟的圓錐形衣殼。

衣殼的正確形成和完整對病毒的感染性至關重要,因此,CA 是一個非常有吸引力的抗 HIV-1 靶點。

靶向 CA 的抑製劑

靶向 CA 可以干擾 HIV-1 複製週期的早期和晚期步驟。近年來,越來越多抑制 CA 功能的小分子和基於肽的化合物被發現或開發。除了上述提及的 GS-6207,還有一些較為經典的抑製劑,如:CAP-1,可結合到 CA 的 NTD,並抑制病毒成熟過程中的核心組裝;PF-3450074,在細胞感染早期靶向 CA, 誘導 HIV-1 衣殼快速溶解,使病毒週期中的“脫殼”過早發生,從而抑制 HIV-1 感染;肽類抑製劑衣殼組裝抑製劑 CAI,與 CA-CTD 中的疏水腔結合,從而破壞 CTD 二聚體界面。

靶向 HIV-1 Gag

Gag 蛋白是逆轉錄病毒編碼的三種基因産物之一,HIV-1 的組裝主要由 Gag 蛋白控制。出芽後,Gag 被病毒蛋白酶切割,從而産生一系列較小的蛋白質 (MA、CA 和 NC) 和肽 (SP1、SP2 和 p6)。

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圖 4. HIV-1 Gag 的主要功能基序示意圖[1]

除了已經介紹的 CA 之外,Gag 的其他組分也與其功能密不可分。

NC:NC 與 Gag 的裝配有關,還與 Gag 將病毒基因組 RNA 募集到病毒顆粒的功能相關;

MA:Gag 的 MA 結構域在病毒複製週期中起兩個主要作用,在組裝過程的早期將 Gag 引導至質膜,以及促進病毒 ENV 糖蛋白摻入新生的病毒體中;

p6:HIV-1 Gag 的 p6 區域具有所謂的晚期結構域,招募病毒釋放所需的細胞機制。

因此,Gag 分子的其他成分也有可能成為 HIV-1 的治療靶點。

小M的思考

CA 在 HIV-1 病毒生命週期中具有至關重要的作用,儘管目前還未有 CA 相關的抑製劑獲批上市,但靶向 CA 的抑製劑有望用於治療 HIV-1感染。同時,以 Gag 分子的作用為靶向 HIV 的研究提供了新思路。

HIV 靶點

Peptide T

源自 HIV-1 gp120 的 V2 區的八肽,是 CD4 受體的配體,可阻止 HIV 與 CD4 受體結合

Plerixafor

選擇性的 CXCR4 拮抗劑

Maraviroc

選擇性的 CCR5 拮抗劑,具有抑制 HIV 的活性

Cenicriviroc

有口服活性的 CCR2/CCR5 雙重拮抗劑,同時可抑制 HIV-1 和 HIV-2

Enfuvirtide

抗 HIV-1 膜融合的抑制肽

Zidovudine

有效的核苷類似物逆轉錄酶抑製劑 (NRTI)

Zalcitabine

有效的核苷類似物逆轉錄酶抑製劑 (NRTI)

Etravirine

非核苷逆轉錄酶抑製劑 (NNRTI)

Raltegravir

HIV 整合酶抑製劑 (IN)

Dolutegravir

具有口服活性的 HIV 整合酶鏈轉移抑製劑

Indinavir

HIV 蛋白酶抑製劑,具有很好的口服活性

Amprenavir

HIV 蛋白酶抑製劑,Ki 為 0.6 nM

Bevirimat

HIV-1 病毒顆粒成熟抑製劑

參考文獻

1. Philip R. Tedbury, et al. Curr Top Microbiol Immunol. 2015; 389: 171–201. HIV-1 Gag: An Emerging Target for Antiretroviral Therapy.

2. Fumiyo Nakagawa , et al. Projected Life Expectancy of People With HIV According to Timing of Diagnosis. AIDS. 2012 Jan 28;26(3):335-43.

3. Mauricio G Mateu. The Capsid Protein of Human Immunodeficiency Virus: Intersubunit Interactions During Virus Assembly. FEBS J. 2009 Nov;276(21):6098-109.

4. Ariberto Fassati, et al. Multiple Roles of the Capsid Protein in the Early Steps of HIV-1 Infection. Virus Res. 2012 Dec;170(1-2):15-24.

5. Xavier Lahaye, et al. The Capsids of HIV-1 and HIV-2 Determine Immune Detection of the Viral cDNA by the Innate Sensor cGAS in Dendritic Cells. Immunity. 2013 Dec 12;39(6):1132-42.

6. Rebeca Bocanegra, et al. Rationally Designed Interfacial Peptides Are Efficient In Vitro Inhibitors of HIV-1 Capsid Assembly with Antiviral Activity. PLoS One. 2011; 6(9): e23877.

7. Edward M. Campbell, et al. HIV-1 Capsid: The Multifaceted Key Player in HIV-1 infection. Nat Rev Microbiol. 2015 Aug; 13(8): 471–483.

8. Rebeca Bocanegra, at al. Rationally Designed Interfacial Peptides Are Efficient In Vitro Inhibitors of HIV-1 Capsid Assembly with Antiviral Activity. PLoS One. 2011; 6(9): e23877.

9. Edward M. Campbell, et al. HIV-1 Capsid: The Multifaceted Key Player in HIV-1 infection. Nat Rev Microbiol. 2015 Aug; 13(8): 471–483

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